CN1481295A - 带有加压隔膜的研磨固定台 - Google Patents
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Abstract
本发明用于在使用加压隔膜与复数个压电元件来置换晶片固定台空气轴承的CMP工艺中的性能的改进。在一个实施例中，公开一种用于改善化学机械研磨应用中的性能的晶片固定台。晶片固定台包含一个配置在晶片固定台上方的隔膜与复数个配置在隔膜下方的环形气囊，其中环形气囊能对隔膜施加力量。依此方式，可在CMP处理期间提供区带控制。在进一步的实施例中，复数个压电元件配置在晶片固定台上方，其在CMP处理期间对研磨带施加力量，从而在CMP处理期间产生改善的区带控制。
Description
技术领域
本发明一般而言在涉及化学机械研磨设备，尤其涉及使用加压隔膜和压电元件以改善在化学机械研磨应用中的性能的晶片固定台设计。
背景技术
在半导体装置的制造中，需要进行包含研磨、抛光与晶片清洗的化学机械研磨(CMP)操作。一般而言，集成电路装置是以多层构造的型式存在。在基板层形成具有扩散区的晶体管装置。在后续的层中，复数条互连金属线是被刻以图案并电连接至晶体管装置以限定所期望功能的装置。图案化的导电层是通过例如二氧化硅的电介质材料而与其他导电层绝缘。当形成更多金属层与相关电介质层时，会增加平坦化电介质材料的需要。在没有平坦化的情况下，额外金属层的制造会由在表面形貌上的更高变化，而在实质上变得更加困难。在其他应用中，将金属线图案形成在电介质材料中，然后执行金属CMP操作以移除过量的金属化物。
在已有技术中，CMP系统一般以皮带站、轨道站、或刷子站实现，其中皮带、软垫、或刷子是用以擦洗、抛光(buff)和研磨(polish)晶片的一面或两面。研浆(slurry)用于促进并提高CMP操作。研浆通常最会被导入至一个移动中的制备表面之上，例如皮带、软垫、刷子等等，并使其分布遍及制备表面以及受到抛光、研磨或者是由CMP处理所制备的半导体晶片的表面。这种分布操作通常是通过制备表面的移动、半导体晶片的移动和在半导体晶片和制备表面之间所产生的摩擦的组合而完成。
图1显示一种例示的已有技术CMP系统10。图1中的CMP系统10为一种皮带式系统，这样标示的原因是因为制备表面为一个安装在两个滚筒24上的环状皮带18，这两个滚筒24在旋转操作中驱动皮带18，如以皮带旋转方向箭头26表示。晶片12是安装在晶片头14上，其是朝方向16旋转。然后，以力量F使旋转中的晶片12靠在旋转中的皮带18，用于完成CMP处理。某些CMP处理需要显著的所施加的力F。晶片固定台22的设置是用于稳定皮带18，并提供一个使晶片12贴至其上的坚固(solid)表面。由包含分布研磨粒子的例如NH4OH或DI的水溶液所组成的研浆28被导入晶片12的上游。晶片表面的擦洗、研磨与抛光处理，通过使用一个粘着至皮带18的环状研磨垫而完成。一般而言，研磨垫是由多孔性材料或纤维材料所构成，并缺少固定研磨剂。
图2为习知的晶片头与晶片固定台构造30的详细视图。晶片头与晶片固定台构造30包含晶片头14与位于晶片头14下方的晶片固定台22。晶片头14包含一个固定保持环32，其将晶片12保持在晶片头14下方的位置。在晶片头14与晶片固定台22之间为研磨垫与皮带18。研磨晶片固定台22紧密地以非常薄的空气间隔与研磨垫或皮带18隔开，其中，该空气间隔以“空气轴承”表示，其限定在晶片固定台22与研磨垫18之间。传统上已使用了在晶片固定台22与软垫18之间的空气轴承，以试图建立一个均匀研磨表面。
为了维持此空气轴承，复数个空气源开孔一般是形成于晶片固定台22中，并从晶片固定台22的中心到晶片固定台22的外边缘以同心环方式进行布置。每个环部建立一个空气运送区，其中来自空气源的空气在研磨期间被引导通过这些开孔，从而建立此空气轴承。空气是经过晶片固定台边缘而排出。
关于多数的空气运送区，空气轴承的空气分布轮廓可通过改变每个区间中的研磨速度而视需要来径向地改变，以达到最佳研磨效果。不幸的是，这些区间的分布轮廓并非完全彼此独立。这会使对不同区间建立不同分布轮廓复杂化。
此外，空气轴承对于各种状况非常敏感。举例而言，空气轴承的压力会随着软垫18与晶片固定台22之间的间隙而改变。因此，如果在一个区域中将软垫18推向晶片固定台22，则会影响空气轴承的所有区域的压力，从而为CMP处理增加不必要的复杂性。
以前文的观点而言，存在对于逐一区间建立空气分布轮廓的更大独立性的方法的需求，藉以帮助在每个区间中建立研磨速度而独立其他区间，因而改善制造灵活性与功能性。
发明内容
广义来说，本发明通过利用一个加压隔膜与复数个压电元件来置换一个晶片固定台空气轴承，以在CMP处理中提供改善性能而满足这些需求。在一实施例中，公开了一种用于改善化学机械研磨应用中的性能的晶片固定台。此晶片固定台包含一个配置在晶片固定台上方的隔膜。配置在隔膜下方的是复数个能对隔膜施加力量的环形气囊。依此方式，在CMP处理期间能提供区带控制(zonal control)。
在另一个实施例中，揭露一种用于改善化学机械研磨应用中的性能的系统。此系统包含：一晶片头，能够运送一晶片；以及一研磨带，安置在晶片头下方。进一步包括在此系统中的是一晶片固定台，其具有一个位于研磨带下方的隔膜。晶片固定台还包含复数个配置在隔膜下方的环形气囊，这些环形气囊是能对隔膜施加力量。
在本发明的另一个实施例中公开了用于改善CMP应用中的性能的又一个晶片固定台。晶片固定台包含复数个配置在晶片固定台上方的压电元件。在运作中，复数个压电元件在CMP处理期间用于对研磨带施加力量。依此方式，在CMP处理期间能提供区带控制。
此外，在本发明的又一个实施例中公开了用于改善化学机械研磨应用中的性能的另一个系统。此系统包含：一晶片头，能够运送一晶片；以及一研磨带，安置在晶片头下方。还包括在此系统中的是一晶片固定台，其具有复数个位于研磨带下方的压电元件。复数个压电元件是能对研磨带施加力量。
有利的是，本发明的实施例的环形气囊与压电元件在CMP处理期间，通过向加压隔膜提供增加的区带控制而得以改善性能。进一步，不像已有的空气轴承那样，本发明的实施例会大幅减少在CMP处理期间所需要的空气量。
此外，使用本发明的加压隔膜或压电元件的CMP处理，并不像利用空气轴承的已有CMP处理那样会对各种状况敏感。不像空气轴承那样，当研磨与晶片固定台之间之间隙改变时，本发明的加压隔膜或压电元件的压力不会经历像空气轴承所经历的巨大变化。因此，如果在一个区域中将研磨垫推向晶片固定台，则不会像在利用空气轴承时影响其他区域一样地影响加压隔膜或压电元件的其他区域中的压力。本发明的其他实施方式与优点将从下述配合附图的详细说明而更显清楚，这些例子是用于说明本发明的原理。
附图说明
本发明及其更进一步的优点，将可配合附图并参考下述说明而得以得到最佳的理解，其中：
图1显示一种例示的现有技术的CMP系统；
图2为已有的晶片头与晶片固定台构造的详细视图；
图3为显示依据本发明的一实施例的晶片固定台构造图；
图4为显示依据本发明的一实施例的晶片固定台构造的详细视图图；
图5为显示依据本发明的一实施例的具有各种不同环形气囊的晶片固定台构造图；
图6A为依据本发明的一实施例的环形气囊构造的俯视图；
图6B为显示依据本发明的一实施例的环形气囊构造的俯视图；
图7为显示依据本发明的一实施例的晶片固定台构造的示意图；
图8为依据本发明的一实施例的压电元件构造的俯视图；以及
图9为显示依据本发明的一实施例的CMP系统的图例。
具体实施方式
本发明公开出使用复数个加压隔膜与压电元件来置换一个晶片固定台空气轴承，以改善CMP处理中的性能。在一个实施例中，提供一个加压隔膜，其在CMP处理期间通过同心气囊而提供区带控制。在更进一步的实施例中，压电元件是被设置在晶片固定台上面，其在CMP处理期间提供区带控制。在下述说明中，提出许多具体细节，以便彻底理解本发明。然而，本领域的技术人员将明白到，本发明亦可能在没有某些或所有这些具体细节的情况下被实现。在其他实例中，为了避免不必要地将本发明模糊化，并未详细说明熟知的处理步骤。
图1-2已从已有技术的角度作说明。图3为显示依据本发明的一实施例的晶片固定台构造300。此晶片固定台构造300包含一个晶片头302和一个晶片306，该晶片头302具有一个保持环304而晶片306安置在晶片头302下方。晶片固定台构造300亦包含一个配置在一条研磨带310下方的晶片固定台308。晶片固定台308包含一个通过复数个环形气囊314而增压的加压隔膜312。
在操作期间，晶片固定台308是被靠置在进行研磨晶片306的表面的研磨垫或皮带310上。为了促进研磨均匀性，每个气囊314能单独地通过空气源而增压。有利的是，复数个环形气囊314通过向加压隔膜312提供增加的区带控制，而得以改善CMP处理中的性能。不像已有的空气轴承的是，本发明的实施例的加压隔膜312会大幅减少在CMP处理期间所需要的空气量。
此外，使用本发明的加压隔膜312的CMP处理，并不会像利用空气轴承的现有的CMP处理一样对各种状况敏感。不像空气轴承的是，当研磨垫310与晶片固定台308之间的间隙改变时，本发明的加压隔膜312的压力不会经历像空气轴承所经历那样的巨大变化。因此，如果在一个区域中将研磨垫310推向晶片固定台308，则不会像在利用空气轴承时影响其他区域那样影响加压隔膜312在其他区域中的压力，这是因为气囊已经彼此分离。
图4为显示依据本发明的一实施例的晶片固定台构造400的详细视图。晶片固定台构造400显示一条位于晶片固定台308上方的研磨带310，此晶片固定台308具有一个由复数个环形气囊314所增压的加压隔膜312。如图4所示，每个环形气囊314包含一个薄的管状材料402。在一个实施例中，每个环形气囊314的管状材料402通过空气而增压。然而，如同本领域的技术人员所将明白到的，管状材料402可利用任何其他能增压环形气囊314的手段(例如流体)而受到增压。
加压隔膜312最好是包含一种平坦、柔韧的材料。适当材料包含：聚氨酯(polyurethane)、硅、薄金属(例如不锈钢)、聚醚醚酮(PEEK)与特氟纶(teflon)。如前所述，在CMP处理期间，复数个环形气囊314提供增加的区带控制。为了更进一步地增加区带控制，可改变加压隔膜312内的环形气囊314的尺寸，这些细节将说明于后。
图5为显示依据本发明的一实施例的具有各种不同环形气囊的晶片固定台构造500的图。晶片固定台构造500包含一个晶片固定台308，此晶片固定台308具有一个通过复数个环形气囊314而增压的加压隔膜312。如图5所示，晶片固定台构造500包含复数个具有不同尺寸的环形气囊314。
具体而言，随着环形气囊314靠近晶片固定台308的边缘，环形气囊314的尺寸会减小。一般而言，在CMP处理期间，更困难之处发生在大约晶片边缘的10-15毫米内。因此，本发明的一个实施例通过减小靠近晶片固定台308的边缘的环形气囊314的尺寸，来增加靠近晶片边缘的分解度(resolution)。同样地，因为晶片的中心通常需要较少的分解度，所以中央环形气囊314常常大于位于晶片固定台308的边缘的那些环形气囊。
图6A为依据本发明的一实施例的环形气囊构造600a的俯视图。环形气囊构造600a包含复数个同心环形气囊314a。在一个实施例中，环形气囊构造600a的每个同心环形气囊314a绕着晶片固定台的中心形成一个完整圆形。依此方式，每个环形气囊314a可单独地被增压，以在CMP处理期间提供区带控制。为了在CMP处理期间更进一步地增加区带控制，可缩小每个环形气囊的长度，如接着将参考图6B所探讨的。
图6B为显示依据本发明的一实施例的环形气囊构造600b的俯视图。环形气囊构造600b包含复数个同心环形气囊314b。不像图6A的实施例的是，环形气囊构造600b的每个同心环形气囊314b并不会绕着晶片固定台的中心形成一个完整圆形。环形气囊构造600b的每个同心环形气囊314b的尺寸，是依据接近晶片固定台的边缘的特定环形气囊314而改变。
如上所述，在CMP处理期间，更困难之处是在大约晶片边缘的10-15毫米内发生。因此，本发明的一个实施例是通过减少靠近晶片固定台的边缘的环形气囊314b的尺寸，来增加靠近晶片边缘的分解度。同样地，因为晶片的中心一般需要较少的分解度，所以中央环形气囊314b常常大于位于晶片固定台的边缘的那些环形气囊。
有利的是，本发明的实施例是借助一个使用内部环形气囊而增压的隔膜，来提供增加的区带控制，从而得以改善化学机械研磨应用中的性能。本发明的其他实施例通过复数个压电转换器，来提供增加的区带控制，从而也得以改善化学机械研磨应用中的性能。
许多聚合物、陶瓷、与例如水的分子会永久极化，藉以使分子的某些部分明确受到正向充电，而分子的其他部分受到负向充电。当将电场施加至这些材料时，这些极化分子使它们与电场对准，从而造成在材料的分子或晶体构造之内产生被感应生成的偶极子。还有，当材料因为外加机械力量的结果而改变尺寸时，例如石英(SiO2)或钛酸钡(BaTiO3)的永久极化材料将产生电场。这些材料为压电材料，而这种现象是称为压电效应。反之，施加电场可使压电材料改变尺寸。这种现象是称为电致伸缩，或者称为反压电效应。
因此，本发明的一个实施例是利用压电材料以在CMP处理期间提供区带控制。图7为显示依据本发明的一实施例的晶片固定台构造700的图。晶片固定台构造700包含一个配置在晶片306上方的晶片头302，并其具有一个保持环304。此外，晶片固定台308安置在研磨带310的下方。
晶片固定台构造700的晶片固定台308包含复数个配置在研磨带310下方的压电元件702。在操作期间，晶片固定台308靠置在进行研磨晶片306的表面的研磨垫或皮带310上。为了促进研磨均匀性，可单独地启动每个压电元件702以将区带力量施加到研磨垫。有利的是，复数个压电元件702是通过向研磨带310提供增加的区带控制，而得以改善CMP处理中的性能。不像现有的空气轴承的是，本发明的实施例的压电元件702会大幅减少在CMP处理期间所需要的空气量。
此外，对于加压隔膜，使用本发明的压电元件702的CMP处理不像利用空气轴承的现有CMP处理那样对各种状况敏感。不像空气轴承的是，当研磨垫310与晶片固定台308之间的间隙改变时，由本发明的压电元件702所施加的力量不会经历像空气轴承所经历的巨大变化。因此，如果在一个区域中将研磨垫310推向晶片固定台308，则不会像在利用空气轴承时影响其他区域那样影响通过其他压电元件702而施加在研磨带310上的力量。
图8为依据本发明的一实施例的压电元件构造800的俯视图。压电元件702构造800包含复数个同心压电元件702。类似在圆6A的环形气囊构造，在本发明的一个实施例中，每个同心压电元件702绕着晶片固定台的中心形成一个完整圆形。然而，为了在CMP处理期间进一步增加区带控制，可缩小每个压电元件702的长度，如图8所示。
不像图6A的实施例的是，压电元件构造800的每个同心压电元件702并不会绕着晶片固定台的中心形成一个完整圆形。压电元件构造800的每个同心压电元件702的尺寸，是依据接近晶片固定台的边缘的特定压电元件702而改变。
如的前所提及的，在CMP处理期间，更困难之处一般而言在大约晶片边缘的10-15毫米内发生。因此，本发明的一个实施例是通过减少靠近晶片固定台的边缘的压电元件702的尺寸，而增加靠近晶片边缘的分解度。同样地，因为晶片的中心一般需要较少的分解度，所以中心压电元件702常常大于位于晶片固定台的边缘的那些压电元件。
不像空气轴承的是，本发明的实施例是在CMP处理期间与研磨带进行物理接触。结果，由于与研磨带产生摩擦而可能增加在晶片固定台上的磨损。为了提供对晶片固定台的额外保护使其免受磨损，可将一种牺牲材料(sacrifical material)安置在晶片固定台与研磨带之间，如接着将参考图9所探讨的。
图9为显示依据本发明的一实施例的CMP系统900的图例。图9中的CMP系统900为一种皮带式系统，其具有一条安装在两个滚筒910上的环形研磨带310，这两个滚筒910是在旋转操作中驱动研磨带310，如以皮带旋转方向箭头906表示。一个晶片306是安装在晶片头302上，其是朝方向908旋转。然后，以力量F使旋转中的晶片306靠在旋转中的研磨带310上，以完成CMP处理。某些CMP处理需要显著的施力F。
具有复数个压电元件702的晶片固定台308的设置是用于稳定研磨带310，并提供一个使晶片306贴至其上的坚固(solid)表面。由包含分布研磨粒子的例如NH4OH或DI的水溶液所组成的研浆904是被导入晶片306的上游。晶片表面的擦洗、研磨与抛光处理，是通过使用一个粘着至研磨带310的环状研磨垫而完成。一般而言，研磨垫由多孔性材料或纤维材料所构造，并缺少固定研磨剂。
配置在晶片固定台308与研磨带310之间的是牺牲材料914，其是在晶片固定台308上面通过复数个滚轮916被辊到辊(roll-to-roll)供入。在使用期间，牺牲材料914在晶片固定台308上面被缓慢供入，以提供保护免受磨损。在一个替代实施例中，牺牲材料914是成为CMP处理进步的指标。依此方式，牺牲材料914会磨损，而不是晶片固定台308的材料。因此，复数个压电元件702或加压隔膜会受到保护，而免受由转动研磨带310的摩擦所导致的磨损。
虽然为了清楚理解的目的已相当详细说明上述发明，但应当明白在所附权利要求的范围内可能实行某种程度的改变与修改。因此，本实施例是被视为例示而非限制意义，且本发明并未受限于在此所提供的细节，但可能在权利要求的范畴与等效设计的内作变化。
Claims (32)
1.一种晶片固定台，用于改善化学机械研磨(CMP)应用中的性能，包含：
一隔膜，配置在晶片固定台上方；以及
复数个环形气囊，配置在该隔膜下方，其中该复数个环形气囊能对该隔膜施加力量。
2.如权利要求1所述的晶片固定台，其特征在于，该隔膜包含一种软的且柔韧的材料。
3.如权利要求2所述的晶片固定台，其特征在于，该隔膜包含聚氨酯。
4.如权利要求1所述的晶片固定台，其特征在于，该复数个环形气囊包含多个不同尺寸的环形气囊。
5.如权利要求4所述的晶片固定台，其特征在于，靠近晶片固定台的边缘的环形气囊是小于靠近晶片固定台的中心的环形气囊。
6.如权利要求1所述的晶片固定台，其特征在于，该复数个环形气囊的每一个环形气囊可单独地被增压以对隔膜施加力量。
7.如权利要求6所述的晶片固定台，其特征在于，每个环形气囊利用气体而增压。
8.如权利要求6所述的晶片固定台，其特征在于，每个环形气囊利用液体而增压。
9.一种用于改善化学机械研磨(CMP)应用中的性能的系统，包含：
一晶片头，能够运送一晶片；
一研磨带，配置在该晶片头下方；以及
一晶片固定台，具有位在该研磨带下方的一隔膜，该晶片固定台还包含配置在该隔膜下方的复数个环形气囊，其中该复数个环形气囊能对该隔膜施加力量。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，晶片固定台的隔膜包含软的且柔韧的材料。
11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，该复数个环形气囊具有多个不同尺寸。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，靠近晶片固定台的边缘的环形气囊小于靠近晶片固定台的中心的环形气囊。
13.如权利要求9所述的系统，其特征在于，每个环形气囊可单独地被增压以对该隔膜施加力量。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，对该隔膜所施加的力量被传送至研磨带，以在CMP处理期间提供区带控制。
15.如权利要求13所述的系统，其特征在于，每个环形气囊利用气体而增压。
16.如权利要求13所述的系统，其特征在于，每个环形气囊利用液体而增压。
17.一种晶片固定台，用于改善化学机械研磨(CMP)应用中的性能，包含：
复数个压电元件，配置在晶片固定台上方，其中该复数个压电元件能对一研磨带施加力量。
18.如权利要求17所述的晶片固定台，其特征在于，利用一电场以启动复数个压电元件。
19.如权利要求17所述的晶片固定台，其特征在于，该复数个压电元件包含多个不同尺寸的压电元件。
20.如权利要求19所述的晶片固定台，其特征在于，靠近晶片固定台的边缘的压电元件小于靠近晶片固定台的中心的压电元件。
21.如权利要求17所述的晶片固定台，其特征在于，该复数个压电元件的每个压电元件可单独地被启动以对研磨带施加力量。
22.如权利要求21所述的晶片固定台，其特征在于，该复数个压电元件的每个压电元件可单独地被启动以调整抵抗研磨带的力。
23.如权利要求17所述的晶片固定台，其特征在于，利用配置在晶片固定台上方的一牺牲材料来减少晶片固定台上的磨损。
24.一种用于改善化学机械研磨(CMP)应用中的性能的系统，包含：
一晶片头，能够运送一晶片；
一研磨带，配置在该晶片头下方；以及
一晶片固定台，具有位于研磨带下方的压电元件，其中该复数个压电元件能对该研磨带施加力量。
25.如权利要求24所述的系统，其特征在于，利用一电场来启动复数个压电元件。
26.如权利要求24所述的系统，其特征在于，复数个压电元件具有多个不同尺寸。
27.如权利要求26所述的系统，其特征在于，靠近晶片固定台的边缘的压电元件小于靠近晶片固定台的中心的压电元件。
28.如权利要求24所述的系统，其特征在于，每个压电元件可单独地被启动以对研磨带施加力量。
29.如权利要求28所述的系统，其特征在于，每个压电元件可被单独地启动以调整抵抗研磨带的力。
30.如权利要求24所述的系统，其特征在于，对研磨带施加的力被传送至晶片，以在CMP处理期间提供区带控制。
31.如权利要求24所述的系统，其特征在于，还包含配置在晶片固定台上方的一牺牲材料，该牺牲材料用于减少晶片固定台上的磨损。
32.如权利要求31所述的系统，其特征在于，牺牲材料在CMP处理期间，缓慢地滚过晶片固定台。
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